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南工大材料學(xué)院《Compos. Part A》：具有機(jī)械穩(wěn)健性能的超疏水型多層被動降溫復(fù)合材料
2023-12-07  來源：高分子科技

  制冷降溫設(shè)備的大規(guī)模使用所產(chǎn)生的能源消耗已經(jīng)成為當(dāng)前社會能源過度消耗的重要來源，其產(chǎn)生的溫室氣體無疑會加劇全球的溫室效應(yīng)及城市熱島效應(yīng)并嚴(yán)重危害環(huán)境的生態(tài)平衡。研究被動降溫材料對于響應(yīng)節(jié)能減排的理念有著重要意義。環(huán)境友好型被動降溫材料借助其優(yōu)異的太陽光反射及紅外熱輻射的方式在零耗能的情況下減少外界熱量進(jìn)入人們的生活環(huán)境可有效的降低建筑領(lǐng)域的能源消耗，結(jié)合被動降溫性質(zhì)及屋頂卷材制備新型聚合物被動降溫復(fù)合材料有著重要的研究價值。被動降溫材料多用于戶外屋頂?shù)冉ㄖ牧项I(lǐng)域，空氣中灰塵及雨水的黏附會使得污染物沉積在材料表面影響外觀及降溫性能。戶外突變的環(huán)境易使試樣表面受到破壞繼而影響自清潔效果，設(shè)計制備具有機(jī)械耐久性的超疏水表面對于被動降溫材料在屋頂建筑的實際應(yīng)用有著重要的意義。



  針對這一問題，以南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫顥瑄博士為第一作者在復(fù)合材料期刊《Composites Part A：Applied Science and Manufacturing》發(fā)表題為“Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling”的論文，該工作采用多層結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計制備了具有機(jī)械耐久性的超疏水型被動降溫材料，可滿足極端條件下戶外使用性能的保證。 


圖1 超疏水型被動降溫多層復(fù)合材料作用及組成示意圖


  以新一代建筑彈性體卷材PP/SEBS為基體，SEBS-g-MAH為連接劑于其表面制備了機(jī)械穩(wěn)定性能的同時具有超疏水功能的環(huán)氧樹脂表層。借助環(huán)氧樹脂層優(yōu)異的耐刮擦性能，探究了合適的環(huán)氧樹脂固化條件，并巧妙地將表面包覆有六甲基二硅氮烷的二氧化硅嵌入至樹脂基體，實現(xiàn)具有機(jī)械穩(wěn)健性能的超疏水功能表面。 


圖2 試樣的超疏水性能及表面形貌圖：（a）試樣超疏水性能及具體成分示意簡圖，（b）水接觸角數(shù)據(jù)圖，（c）試樣表層（環(huán)氧-SiO2層）實現(xiàn)疏水效果的機(jī)理示意圖，（d）試樣表面形貌圖和（e）樣品形貌示意簡圖及對應(yīng)接觸角


  該試樣表面可實現(xiàn)接觸角大小為160o的超疏水性能，并在砂紙刮擦循環(huán)測試60次后仍然基本保持不變，表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性能，有利于實現(xiàn)戶外極端環(huán)境下的應(yīng)用性能。歸因于固化后的環(huán)氧樹脂將疏水型納米顆粒嵌入其中，刮擦后仍然保持有較低的表面張力。 


圖3 試樣機(jī)械穩(wěn)定性測試：（a）機(jī)械耐久性測試示意圖、（b）M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣經(jīng)60個機(jī)械耐久性能循環(huán)測試前后表面形貌圖、（c）循環(huán)測試過程中M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣接觸角形態(tài)及數(shù)據(jù)圖、（d-e）液滴沖擊實驗測試


  因SEBS-g-MAH與氫氧化鎂（MT）填料之間的折光指數(shù)存在差異，根據(jù)Fresnel定律可知當(dāng)光束照射到試樣時會發(fā)生光束的散射進(jìn)而使得試樣表現(xiàn)出相應(yīng)的反射效果。太陽光在反射層中光束傳播路徑見圖4，光束在粒子及SEBS涂層界面處發(fā)生散射及基材吸收行為。可以看出PP/SEBS基材在整個太陽光波段的反射率較低，并且對各個波長的反射率基本一致，因而表現(xiàn)出較為平直的曲線。在基材上方加入SEBS-g-MAH（MT）涂層后在可見光及近紅外光波長范圍的反射率大幅度上升，由于SiO2粒子中Si-O及環(huán)氧基團(tuán)在近紅外部分的吸收作用所影響，其總的太陽光反射率仍保持在了較高數(shù)值，具有較好的反射降溫效果。 


圖4 基材、M/S-g-M(MT)及M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣太陽光反射及輻射性質(zhì)分析：（a）試樣光學(xué)性能作用示意簡圖，（b）試樣組成及宏觀光路傳播圖示，（c）太陽光進(jìn)入介質(zhì)n1和n2中散射及透過作用機(jī)理示意圖，（d）AM1.5光譜和試樣的紫外光-可見光-近紅外光反射譜圖及（e）大氣透過窗口及試樣在2.5-25 μm范圍內(nèi)的輻射率數(shù)據(jù)圖


  原文信息與鏈接：Haoxuan Sun, Fan Yang, Shuangjun Chen, Jun Zhang. Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling[J].Composites Part A, 2023, 175:107750.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107750

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